Как Земля избежала марсианской судьбы
Примерно в 1800 милях под нашими ногами вращающееся жидкое железо во внешнем ядре Земли создает защитное магнитное поле нашей планеты. Это магнитное поле невидимо, но жизненно важно для жизни на поверхности Земли, потому что оно защищает планету от солнечного ветра — потоков солнечной радиации. Однако около 565 миллионов лет назад сила магнитного поля уменьшилась до 10 процентов от сегодняшней. Затем поле таинственным образом восстановилось, восстановив свою силу как раз перед кембрийским взрывом многоклеточной жизни на Земле. Что заставило магнитное поле прийти в норму? Согласно новому исследованию ученых из Университета Рочестера, это омоложение произошло в течение нескольких десятков миллионов лет — быстро по геологическим временным масштабам — и совпало с формированием твердого внутреннего ядра Земли, что позволяет предположить, что ядро, вероятно, является непосредственной причиной.
«Внутреннее ядро чрезвычайно важно», — говорит Джон Тардуно, Уильям Р. Кенан-младший, профессор геофизики на факультете наук о Земле и окружающей среде и декан по исследованиям в области искусств, наук и инженерии в Рочестере. «Прямо перед тем, как внутреннее ядро начало расти, магнитное поле было в точке коллапса, но как только внутреннее ядро начало расти, поле восстановилось». В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи определили несколько ключевых дат в истории внутреннего ядра, включая более точную оценку его возраста. Исследование дает подсказки об истории и будущей эволюции Земли и о том, как она стала пригодной для жизни планетой, а также об эволюции других планет Солнечной системы. Земля состоит из слоев: земной коры, в которой расположена жизнь; мантия, самый толстый слой Земли; расплавленное внешнее ядро; и твердое внутреннее ядро, которое, в свою очередь, состоит из самого внешнего внутреннего ядра и самого внутреннего внутреннего ядра.
Магнитное поле Земли генерируется в ее внешнем ядре, где вращающееся жидкое железо вызывает электрические токи, вызывая явление, называемое геодинамо, которое создает магнитное поле. Из-за связи магнитного поля с ядром Земли ученые десятилетиями пытались определить, как магнитное поле и ядро Земли менялись на протяжении всей истории нашей планеты. Они не могут напрямую измерять магнитное поле из-за расположения и экстремальных температур материалов в сердечнике. К счастью, минералы, которые поднимаются на поверхность Земли, содержат крошечные магнитные частицы, которые фиксируются в направлении и интенсивности магнитного поля в то время, когда минералы остывают из своего расплавленного состояния. Чтобы лучше ограничить возраст и рост внутреннего ядра, Тардуно и его команда использовали CO2-лазер и лабораторный сверхпроводящий квантово-интерференционный магнитометр (SQUID) для анализа кристаллов полевого шпата из горной породы анортозит. Внутри этих кристаллов есть крошечные магнитные иглы, которые являются «идеальными магнитными регистраторами», говорит Тардуно. Изучая магнетизм, заключенный в древних кристаллах, — область, известную как палеомагнетизм, — исследователи определили две новые важные даты в истории внутреннего ядра:
- 550 миллионов лет назад: время, когда магнитное поле начало быстро обновляться после близкого коллапса, произошедшего за 15 миллионов лет до этого. Исследователи связывают быстрое обновление магнитного поля с формированием твердого внутреннего ядра, которое перезаряжало расплавленное внешнее ядро и восстанавливало силу магнитного поля.
- 450 миллионов лет назад: время, когда структура растущего внутреннего ядра изменилась, обозначив границу между самым внутренним и самым внешним внутренним ядром. Эти изменения во внутреннем ядре примерно в то же время совпадают с изменениями в структуре вышележащей мантии из-за тектоники плит на поверхности.
«Поскольку мы более точно определили возраст внутреннего ядра, мы смогли изучить тот факт, что современное внутреннее ядро на самом деле состоит из двух частей», — говорит Тардуно. «Тектонические движения плит на поверхности Земли косвенно повлияли на внутреннее ядро, и история этих движений запечатлена глубоко внутри Земли в структуре внутреннего ядра». Лучшее понимание динамики и роста внутреннего ядра и магнитного поля имеет важное значение не только для раскрытия прошлого Земли и предсказания ее будущего, но и для понимания того, как другие планеты могут формировать магнитные экраны и поддерживать условия, необходимые для существования жизни. .
Исследователи полагают, что Марс, например, когда-то имел магнитное поле, но оно рассеялось, оставив планету уязвимой для солнечного ветра и поверхность без океанов. Хотя неясно, могло ли отсутствие магнитного поля привести к тому, что Землю постигла та же участь, «Земля определенно потеряла бы гораздо больше воды, если бы магнитное поле Земли не было регенерировано», — говорит Тардуно. «Планета была бы намного суше и сильно отличалась бы от нынешней». По его словам, с точки зрения планетарной эволюции исследование подчеркивает важность магнитного щита и механизма его поддержания. «Это исследование действительно подчеркивает необходимость иметь что-то вроде растущего внутреннего ядра, которое поддерживает магнитное поле на протяжении всей жизни — многих миллиардов лет — планеты».